宽翼缘板混凝土箱梁剪力滞效应研究

唐熙

（浙江丽中恒工程检测有限公司  浙江 丽水  323000）

摘要：宽翼缘板混凝土箱梁在现代城市桥梁建设中应用广泛，已有的研究主要聚焦于混凝土箱梁的剪力滞效应，以某城市高架桥宽翼缘板混凝土箱梁为例，采用Midas Civil建立结构有限元分析模型。根据分析结果，得到顺桥向不同位置处混凝土箱梁顶板和底板在横桥向不同位置的应力分布，并与初等梁弯曲理论得到的箱梁顶板和底板应力进行对比，得到横桥向不同位置的剪力滞系数。通过研究发现，混凝土箱梁在顺桥向不同位置有正剪力滞效应和负剪力滞效应产生，且最大剪力滞系数达到1.21，应在宽翼缘板混凝土箱梁的配筋设计上引起足够重视。

关键词：宽翼缘板；预应力混凝土箱梁；剪力滞效应；有限元分析

中图分类号： 文献标识码：

Research on shear lag effect of concrete box girder with wide flange plates

Tang Xi

Zhejiang Lizhongheng Engineering Testing Co., Ltd

Abstract：Concrete box girder with wide flange plates is widely used in modern bridge construction. The existing research mainly focuses on the shear lag effect of concrete box girder. Taking the concrete box girder with wide flange slab of an urban viaduct as an example, the finite element analysis model of the structure is established by using Midas Civil. Based on the analysis results, the stress distribution of the top plate and bottom plate of the concrete box girder at different positions along the bridge direction is obtained, and compared with the stress of the top plate and bottom plate of the box girder obtained from the elementary beam bending theory, the shear lag coefficients at different positions along the bridge direction are obtained. Through research, it has been found that concrete box beams have positive and negative shear lag effects at different positions along the bridge direction, and the maximum shear lag coefficient reaches 1.31. Therefore, sufficient attention should be paid to the reinforcement design of concrete box girders with wide flange plates.

Key words: Wide flange plate；Prestressed concrete box girder；Shear lag effect；Finite element analysis.

初等梁弯曲理论的基本假定是平截面假定，当梁体受弯时，距中性轴同一距离上的不同点，其正应力是相等的，即不考虑剪应力对纵向变形的影响，认为弯曲正应力在横向上是均匀分布的[1]。然而，这种平截面假定对于翼缘板较宽的箱梁将变得不合理，其翼缘板的正应力沿宽度方向总是呈现不均匀的分布状态，这是由腹板剪力流向翼缘板后的横向传递滞后而导致。弯曲正应力沿宽度方向的不均匀分布现象称为“剪力滞效应”[2]。剪力滞效应有正负之分，对于箱梁，如果靠近腹板处的翼缘板的正应力大于按照初等梁理论计算的正应力，则称为“正剪力滞效应”，反之称为“负剪力滞理论”[3]。

箱梁由于剪力滞效应的影响，弯曲正应力在横向上不均匀分布，此时，若按照初等梁理论计算，得出的结果有可能是严重的偏于不安全的。在国内外的桥梁建设实践中，曾出现过因剪力滞效应考虑不足导致的重大事故。如1969年11月至1971年1月，在英国、奥地利、德国以及澳大利亚等地相继发生四起钢箱梁失稳或破坏的事故，其原因之一就是在设计节段未充分考虑剪力滞效应的影响；再如宁波招宝山大桥在1989年9月施工至23#块时，主梁上游16、17#块施工缝及下游15、16#块施工缝附近的底板、斜腹板发生压溃破坏，其原因也是由于没有考虑剪力滞效应所致。因此，应对箱梁的剪力滞问题高度重视

[4]。

工程上常用剪力滞系数来表示剪力滞的影响大小。剪力滞系数定义为考虑剪力滞效应所求得的正应力（挠度）与按照初等梁理论所求得的正应力（挠度）的比值。

1理论计算

1.1桥梁概况

某预应力混凝土连续箱梁桥，结构形式为40+60+40m的三跨预应力混凝土连续梁，上部结构为全预应力构件，采用单箱五室变截面，顶板宽33m，墩顶梁高3.8米，跨中梁高2.0m，按照1.6次抛物线变化。边跨10m范围内为等截面，梁高2.0m。设计荷载：公路-I级；桥梁标准宽度：0.5m（护栏）+15.0m（行车道）+2.0m（中央分隔带）+15.0m（行车道）+0.5m（护栏），全宽33m；

1.2有限元模型

采用梁格法建立空间杆系单元模型，将其计算结果与按照初等梁理论建立的二维杆系模型进行对比，以计算其剪力滞效应。桥梁有限元模型如图1和图2所示。

图1 梁格法全桥计算模型图

图2 梁格法横向截面模型图

2剪力滞效应计算结果分析

2.1截面与计算说明

结合背景桥梁的实际情况，拟选取最大悬臂施工阶段零号块端部截面及成桥后中跨跨中截面共2个截面作为研究剪力滞效应的观测截面。如图3所示，顶板选取13个点，底板选取11个点，用于剪力滞效应的分析。

图3 剪力滞效应计算截面

2.1剪力滞效应计算结果

表1及图4为最大悬臂状态零号块端部截面剪力滞效应分析结果，最大悬臂阶段，零号块截面剪力滞效应明显，在横向上不同腹板处剪力滞系数不等，正负剪力滞同时出现，最大正剪力滞系数1.21，最小负剪力滞系数0.80。

表1最大悬臂阶段零号块端部截面剪力滞效应分析

横截面坐标(m)	顶板应力(MPa)	初等梁理论(MPa)	剪力滞系数	底板应力(MPa)	初等梁理论(MPa)	剪力滞系数
0	-8.24	-9.43	0.87	/	/	/
4.17	-9.58	-9.43	1.02	-6.05	-5.02	1.21
6.51	-10.08	-9.43	1.07	-4.95	-5.02	0.99
8.85	-9.19	-9.43	0.97	-4.40	-5.02	0.88
11.4	-9.13	-9.43	0.97	-4.35	-5.02	0.87
13.95	-9.20	-9.43	0.98	-4.10	-5.02	0.82
16.5	-9.28	-9.43	0.98	-4.00	-5.02	0.80
19.05	-9.20	-9.43	0.98	-4.10	-5.02	0.82
21.6	-9.13	-9.43	0.97	-4.35	-5.02	0.87
24.15	-9.19	-9.43	0.97	-4.40	-5.02	0.88
26.49	-10.08	-9.43	1.07	-4.95	-5.02	0.99
28.83	-9.58	-9.43	1.02	-6.05	-5.02	1.21
33	-8.24	-9.43	0.87	/	/	/

图4 最大悬臂阶段零号块端部截面剪力滞效应分析

表2及图5为成桥阶段中跨跨中截面剪力滞效应分析结果，成桥阶段，中跨跨中截面剪力滞效应明显，在横向上不同腹板处剪力滞系数不等，正负剪力滞同时出现，最大正剪力滞系数1.15，最小负剪力滞系数0.71。

表2成桥阶段中跨跨中截面剪力滞效应分析

横截面坐标(m)	顶板应力(MPa)	初等梁理论(MPa)	剪力滞系数	底板应力(MPa)	初等梁理论(MPa)	剪力滞系数
0	-3.45	-5.98	0.58	/	/	/
4.17	-4.27	-5.98	0.71	-6.40	-7.49	0.85
6.51	-5.87	-5.98	0.98	-7.09	-7.49	0.95
8.85	-6.72	-5.98	1.12	-8.03	-7.49	1.07
11.4	-6.82	-5.98	1.14	-8.01	-7.49	1.07
13.95	-6.88	-5.98	1.15	-8.03	-7.49	1.07
16.5	-6.89	-5.98	1.15	-8.01	-7.49	1.07
19.05	-6.88	-5.98	1.15	-8.03	-7.49	1.07
21.6	-6.82	-5.98	1.14	-8.01	-7.49	1.07
24.15	-6.72	-5.98	1.12	-8.03	-7.49	1.07
26.49	-5.88	-5.98	0.98	-7.10	-7.49	0.95
28.83	-4.29	-5.98	0.71	-6.41	-7.49	0.86
33	-3.47	-5.98	0.58	/	/	/

图5 成桥阶段跨中截面剪力滞效应分析

3结论

为探究宽翼缘板混凝土箱梁剪力滞效应，文章以某城市高架桥为例，对其进行了剪力滞效应分析。分析结果表明：

（1）顺桥向零号块端部截面边腹板处为正剪力滞效应，中腹板位置为负剪力滞效应；最大正剪力滞系数为1.21，最小负剪力滞系数为0.80。

（2）顺桥向中跨跨中截面边腹板处为负剪力滞效应，中腹板位置为正剪力滞效应；最大正剪力滞系数为1.15，最小负剪力滞系数为0.71。

综上，宽翼缘板混凝土箱梁剪力滞效应明显，不同腹板处正负剪力滞同时出现，且最大剪力滞系数达到1.21，应在宽翼缘板混凝土箱梁的配筋设计上引起足够重视。

参考文献

[1] 刘世忠，欧阳永金，吴亚平，夏旻．变截面薄壁箱梁剪力滞剪切变形效应分析．中国公路学报，2002(03):61-67.

[2] 项海帆．高等桥梁结构理论．北京：人民交通出版社，2001.

[3] 方淑君，戴公连，狄谨．梁板结构在轴力及弯矩作用下截面剪力滞效应的研究．长沙铁道学院学报，2001(019)003:45-48.

[4] 吴文清，叶见曙，杨效中，蒋正国，李宏江．薄壁箱梁剪力滞效应研究理论的若干问题讨论．桥梁建设，2001(06):53-57.

作者简介：唐熙，男，硕士，工程师，研究方向：既有桥梁检测与评估。